Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика невозможного
.pdf
БЫСТРЕЕ СВЕТА
ду собой окрестности Оксфорда и Страну чудес. Кротовая нора — это «устройство», способное служить
связующим звеном между двумя вселенными . В школе
мы узнали, что кратчайшее расстояние между двумя
точками — прямая. Но это не обязательно так; если
свернуть лист бумаги так, чтобы точки соединились, то
кратчайшим расстоянием между ними как раз и станет
кротовая нора.
Как говорит физик Мэтт Виссер из Вашингтонского университета, «сообщество релятивистов задумалось о том, что
нужно сделать, чтобы вывести двигатель деформации пространства или кротовые норы из категории научной фантастики ».
А сэр Мартин Рис , королевский астроном Великобритании, говорит даже так: «Кротовые норы, дополнительные измерения и квантовые компьютеры открывают путь для множества
гипотетических сценариев, которые когда-нибудь, возможно,
превратят всю нашу Вселенную в “живой космос”».
Двигатель Алькубьерре
и отрицательная энергия
Наилучший пример растягивания пространства — двигатель
Алькубьерре , предложенный в 1994 г. физиком Мигелем Алькубьерре с использованием теории тяготения Эйнштейна .
По сути, это именно тот двигатель, какой фигурирует в сериале
«Звездный путь». Пилот подобного звездолета находится в пузыре (защищающем его и сам звездолет от деформации пространства); внутри пузыря все выглядит обычно, даже когда
звездолет преодолевает световой барьер . Более того, пилоту
кажется, что ничего не происходит. На самом же деле вне пузыря пространство-время претерпевает сильные искажения; пространство перед пузырем сжимается. Внутри пузыря время не
растягивается и продолжает идти нормально.
281
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
Алькубьерре признает, что при разработке проекта двигателя «Звездный путь» сыграл немалую роль. «Герои сериала
постоянно говорят о деформационном двигателе, о концепции
искусственного искажения пространства, — говорит он. — Теория того, как можно и как нельзя искажать пространство, у нас
уже была, это общая теория относительности . Я подумал, что
должен быть какой-то способ посмотреть при помощи этих
концепций, как должен в действительности работать деформационный двигатель». Вероятно, это первый случай, когда телешоу вдохновило ученого и помогло найти решение одного из
эйнштейновых уравнений.
Алькубьерре считает, что путешествие на предлагаемом
им звездолете будет похоже на полет на «Тысячелетнем соколе»
в «Звездных войнах» . «Мне кажется, что экипаж, вероятно, должен увидеть что-то похожее. Звезды впереди корабля превратятся в длинные линии, штрихи. Позади не будет видно вообще
ничего — только чернота, потому что свет звезд не сможет двигаться достаточно быстро, чтобы догнать звездолет», — говорит ученый.
Ключевым моментом в двигателе Алькубьерре является
энергия , при помощи которой звездолет разгоняется до сверхсветовых скоростей. Обычно физики говорят о корабле, обладающем для начала некоторым положительным количеством
энергии; эта энергия тратится на разгон корабля, который
всегда движется медленнее света . Чтобы выйти за рамки этих
условий и двигаться быстрее света, придется поменять топливо.
Обычный расчет показывает, что нам потребуется «отрицательная масса» или «отрицательная энергия » — самые экзотические,
вероятно, объекты во Вселенной , если они вообще существуют.
Раньше физики отбрасывали любые разговоры об отрицательной энергии и отрицательной массе как откровенно фантастические. Но теперь стало ясно, что, во-первых, в путешествиях
со сверхсветовыми скоростями без них никак не обойтись, а вовторых, они вполне могут существовать в действительности.
282
БЫСТРЕЕ СВЕТА
Ученые ищут отрицательное вещество в природе, но пока
безуспешно. (Антивещество и отрицательное вещество — совершенно разные вещи. Первое определенно существует и обладает положительной энергией , но противоположным зарядом. Существование отрицательного вещества до сих пор не
доказано.) Отрицательное вещество должно обладать очень
необычными свойствами; к примеру, оно должно быть легче
пустоты. Более того, оно должно летать. Если отрицательное
вещество существовало в начале времен, то при рождении Вселенной оно должно было уйти в глубины пространства. В отличие от метеоритов , которые при случае обрушиваются на планеты под действием сил притяжения, отрицательное вещество
должно убегать от планет. Его должны отталкивать, а не притягивать любые крупные тела, такие как звезды или планеты.
Поэтому, хотя отрицательное вещество вполне может существовать в действительности, обнаружить его можно, скорее всего,
только в глубоком космосе — и уж точно не на Земле.
В одном из проектов поиска отрицательного вещества в
открытом космосе предлагается воспользоваться явлением,
известным как линза Эйнштейна . Когда свет проходит мимо
звезды или галактики, его траектория искажается под действием гравитационных сил в соответствии с общей теорией
относительности . В 1912 г. Эйнштейн (даже не закончив еще
работу над общей теорией относительности) предсказал, что
галактика может работать как линза телескопа. Свет отдаленного объекта, огибая близлежащую галактику, как если бы это
была линза, собирается за ней в пучок и образует характерную
интер ференционную картину из концентрических окружностей. В таком виде он доходит и до Земли. В настоящее время
подобные явления называют кольцами Эйнштейна.
Первая линза Эйнштейна была обнаружена астрономами в
космосе в 1979 г. С тех пор подобные объекты успели стать для
астрономов незаменимым инструментом. Вот лишь один пример. Когда-то считалось, что невозможно обнаружить в космосе
283
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
скрытую массу . (Скрытая масса, известная также как темная материя, — загадочная невидимая, но вполне массивная субстанция. Она окружает галактики и, возможно, во Вселенной ее раз
в десять больше, чем обычной видимой материи.) Но ученые
NASA сумели составить карты распределения в пространстве
скрытой массы, так как она отклоняет свет при прохождении
через нее точно так же, как стекло искривляет свет.
Итак, теоретически линзы Эйнштейна должны помочь
ученым в поисках отрицательного вещества и кротовых нор .
Они должны определенным образом искажать траекторию
света — и космический телескоп имени Хаббла должен быть в
состоянии зарегистрировать такие искажения. До сих пор не
удалось обнаружить ни отрицательного вещества, ни кротовых нор , но поиски продолжаются. И если в один прекрасный
день детекторы космического телескопа зафиксируют в одной
из эйнштейновых линз присутствие отрицательного вещества
или кротовой норы, весь мир физики почувствует на себе поразительные последствия этого открытия.
Отрицательная энергия отличается от отрицательного
вещества тем, что достоверно существует, хотя и в крошечных
количествах. В 1933 г. Хендрик Казимир , опираясь на законы
квантовой теории , сделал очень необычное предсказание. Он
утверждал, что две незаряженные параллельные металлические пластины будут притягиваться друг к другу как по волшебству. Обычно параллельные пластины никак не влияют друг на
друга, поскольку не обладают суммарным зарядом. Но вакуум
между двумя такими пластинами на самом деле не пуст; он полон «виртуальных частиц», возникающих и тут же исчезающих
снова.
На мгновение из пустоты возникают пары электронпозитрон — и тут же аннигилируют, снова растворяясь в вакууме.
Как ни странно, пустота, которую когда-то считали лишенной
чего бы то ни было, на самом деле наполнена квантовыми событиями. Здравый смысл подсказывает, что крохотные вспле-
284
БЫСТРЕЕ СВЕТА
ски с одновременным образованием вещества и антивещества
нарушают закон сохранения энергии . Но, согласно принципу
неопределенности , эти всплески невероятно кратковременны,
и в среднем энергия по-прежнему сохраняется.
Казимир обнаружил, что множество виртуальных частиц
создает в вакууме ненулевое суммарное давление. Пространство между двумя параллельными пластинами ограниченно,
поэтому и давление виртуальных частиц там невелико. А вот
снаружи пластин места много и им ничто не мешает «развернуться» как следует, поэтому и давление там выше; в сумме же
возникает сила, которая толкает пластины друг к другу.
В обычных обстоятельствах — когда пластины находятся
в покое и разделены значительным расстоянием — наблюдается состояние с нулевой энергией . Но если сблизить пластины,
они начнут притягиваться и из них можно извлечь некоторое
количество энергии. После этого, поскольку у пластин отняли
кинетическую энергию, их собственная энергия становится
меньше, чем ноль, т. е. отрицательной.
Отрицательную энергию впервые удалось измерить в лаборатории в 1948 г., и результат полностью подтвердил предсказание Казимира . Теперь отрицательная энергия и эффект
Казимира рассматривались уже не как научная фантастика , а
как установленный факт. Проблема, однако, состоит в том, что
эффект Казимира очень слаб; чтобы обнаружить эту энергию
в лаборатории, необходимо пользоваться точнейшим и новейшим измерительным оборудованием. (В целом энергия Казимира обратно пропорциональна четвертой степени расстояния
между пластинами. Это означает, что чем меньше это расстояние, тем больше энергия.) Точно эффект Казимира измерил в
1996 г. Стивен Ламоро из Лос-Аламосской национальной лаборатории; сила притяжения у него получилась в 30 000 раз меньше веса муравья.
С момента публикации теории Алькубьерре физики успели обнаружить у предложенного им звездолета немало стран-
285
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
ных свойств. К примеру, люди внутри корабля причинно изолированы от внешнего мира. Это означает, что невозможно
просто нажать кнопку и полететь быстрее света . Вы не сможете
поддерживать связь с внешним миром за пределами защитного
пузыря. Должен существовать заранее проложенный «маршрут» через пространство и время , и тогда по нему корабли могут следовать один за другим, как поезда по расписанию. В этом
смысле звездолет по Алькубьерре не будет обычным звездолетом и не сможет произвольно менять направление движения и скорость. Этот звездолет будет подобен вагону, который
движется на заранее созданной «волне» сжатого пространства
по заранее созданному коридору искаженного пространствавремени . Алькубьерре рассуждает так: «Нам потребуется серия генераторов экзотического вещества, расставленных вдоль
трассы движения, как вдоль шоссе; эти генераторы будут синхронно управлять пространством так, как нужно».
Нельзя исключить, что в будущем будут обнаружены еще
более странные и причудливые решения уравнений Эйнштейна .
Сами уравнения говорят о том, что если дано определенное количество массы или энергии , то можно рассчитать искажение
пространства-времени , которое вызовет эта масса или энергия
(точно так же, бросив камень в воду , вы можете рассчитать круги, которые пойдут от него). Но эти уравнения можно применить
и в обратном направлении. Можно начать с заданного состояния пространства-времени , каким бы странным оно ни казалось.
В качестве примера можно привести причудливые миры сериала
«Сумеречная зона». (В тех вселенных можно, к примеру, открыть
дверь и оказаться на луне. Можно обежать вокруг дерева и оказаться в прошлом, а затем обнаружить к тому же, что сердце бьется с правой стороны.) Затем следует рассчитать распределение
вещества и энергии, связанное с этим конкретным состоянием.
(Точно так же, если задано странное распределение волн на поверхности воды, то можно произвести обратный расчет и определить, сколько, где и каких камней было брошено в пруд.)
286
БЫСТРЕЕ СВЕТА
Примерно таким образом, кстати говоря, Алькубьерре вывел свои уравнения. Он начал с пространства-времени , в котором допустимо движение со сверхсветовой скоростью, а затем
провел обратный расчет и вычислил энергию , необходимую
для получения такого пространства-времени .
Кротовые норы и черные дыры
Второй после растягивания пространства способ преодолеть световой барьер — это разорвать, или проколоть, пространство, т. е.
пройти через кротовые норы , туннели, которые соединяют две
вселенные . В литературе первое упоминание о кротовых норах
принадлежит перу оксфордского математика Чарльза Доджсона , написавшего под псевдонимом Льюис Кэрролл сказку «Алиса в Зазеркалье». Зеркало Алисы и есть кротовая нора, которая
соединила окрестности Оксфорда с волшебным миром Страны
чудес. Протянув руку сквозь зеркало, Алиса может мгновенно
перенестись из одной вселенной в другую. У математиков они
называются «многократно связанными пространствами».
В физике концепция кротовых нор возникла в 1916 г. —
всего через год после того, как Эйнштейн опубликовал свой
великий труд — общую теорию относительности . Физик Карл
Шварцшильд , служивший тогда в кайзеровской армии, нашел
точное решение уравнений Эйнштейна для случая изолированной точечной звезды. Вдалеке от звезды ее гравитационное поле
очень похоже на поле обычной звезды; Эйнштейн даже воспользовался решением Шварцшильда при вычислении отклонения
траектории света около звезды. Результат Шварцшильда произвел немедленное и очень сильное действие на все разделы
астрономии, и сегодня он по-прежнему остается одним из самых
известных решений уравнений Эйнштейна. Несколько поколений физиков использовали гравитационное поле этой гипотетической точечной звезды в качестве приближенного выражения
для поля вокруг реальной звезды с конечным диаметром.
287
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
Но если рассмотреть это точечное решение серьезно, то
в центре его неожиданно обнаружится чудовищный точечный
объект, который почти столетие изумлял и шокировал физиков , — черная дыра . Решение Шварцшильда для поля тяготения
точечной звезды чем-то напоминает троянского коня. Снаружи
оно выглядит как дар небес, а внутри скрывает всевозможных
демонов и духов. Но если вы принимаете одно, то вынуждены
принять и другое. Из решения Шварцшильда явствовало, что
при приближении к пресловутой точечной звезде происходят
странные вещи. Сама звезда окружена невидимой сферой (известной как «горизонт событий »), которая является своеобразной чертой невозврата. Все может проникнуть внутрь ее, но
ничто не может выйти обратно. Однажды пройдя горизонт событий, вы уже не сможете вернуться назад. (Если вы находитесь
внутри горизонта событий, вам, чтобы вновь оказаться снаружи, потребуется двигаться быстрее света , а это невозможно.)
При приближении к горизонту событий на атомы вашего
тела начнут действовать приливные силы, растягивая их. Ваши
ноги будут ощущать гораздо б льшую силу тяжести, чем ваша
голова, поэтому вас сначала растянет до состояния спагетти, а затем просто разорвет. Точно так же произойдет с атомами вашего
тела — они будут растянуты гравитацией , а затем разорваны.
Для внешнего наблюдателя ваше приближение к горизонту событий будет выглядеть так, как будто вы замедляетесь во
времени . Более того, когда вы прикоснетесь к горизонту событий, наблюдателю покажется, что время остановилось!
Этого мало. Провалившись под горизонт событий , вы увидите свет , запертый внутри этой сферы и блуждающий внутри
черной дыры миллиарды лет. Вы как будто увидите фильм, запечатлевший всю историю черной дыры, с самого момента ее
рождения.
Наконец, если бы вам удалось пролететь черную дыру насквозь, там, с другой стороны, обнаружится иная вселенная.
Это явление, впервые описанное Эйнштейном в 1935 г., носит
288
БЫСТРЕЕ СВЕТА
название моста Эйнштейна–Розена ; сейчас его называют еще
кротовой норой.
Эйнштейн и другие физики были уверены, что ни одна
звезда не сможет естественным образом превратиться в столь
чудовищный объект. В 1939 г. Эйнштейн даже опубликовал статью, в которой показал, что вращающаяся газопылевая масса
никогда не сконденсируется в подобную черную дыру . Поэтому, несмотря на притаившуюся в центре черной дыры кротовую нору, он был уверен, что ничто подобное в природе возникнуть не может. Астрофизик Артур Эддингтон как-то сказал,
что «должен существовать закон природы, не позволяющий
звездам вести себя столь нелепым образом». Другими словами,
черная дыра, конечно, законное решение уравнений Эйнштейна, но механизм, посредством которого такая штука могла бы
сформироваться естественным путем, неизвестен.
Ситуация кардинально изменилась с выходом в том же
году статьи Роберта Оппенгеймера и его ученика Хартланда
Снайдера ; в этой работе ученые показали, что черные дыры все
же могут формироваться естественным путем. Они предположили, что умирающая звезда, которая практически полностью
истратила свое ядерное топливо, коллапсирует под действием
гравитационных сил, т. е. схлопывается под собственной тяжестью. Если гравитация сможет сжать звезду до размеров , меньших, чем радиус горизонта событий , то дальше уже ничто на
свете не сможет помешать ей сжать звезду в точку и превратить
в черную дыру. (Вполне возможно, что рассмотренный здесь
механизм коллапса подсказал Оппенгеймеру идеи, которые он
через несколько лет использовал при создании бомбы для Нагасаки, при детонации которой используется взрывное обжатие
плутониевого шара.)
Следующий прорыв имел место в 1963 г., когда новозеландский математик Рой Керр исследовал, возможно, самый
реалистичный образчик черной дыры . Сжимаясь, объекты
ускоряют свое вращение — примерно так же, как фигуристы
289
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
начинают вращаться быстрее, когда прижимают руки к телу.
Можно сделать вывод, что черные дыры должны вращаться
с фантастическими скоростями.
Керр обнаружил, что вращающаяся черная дыра не схлопнется в точечную звезду, как предполагал Шварцшильд , а сожмется и образует вращающееся кольцо. Любой, кому не повезет и кто наткнется на это кольцо, погибнет; но тот, кто угодит
в отверстие кольца, не умрет, а пройдет его насквозь. И окажется при этом не по другую сторону все того же кольца, а в другой
вселенной, потому что, попав в кольцо, он пройдет по мосту
Эйнштейна–Розена . Другими словами, вращающаяся черная
дыра — это обод зеркала, сквозь которое проходила сказочная
Алиса .
Если этот человек затем обогнет кольцо и пройдет через
него еще раз, он окажется в следующей вселенной. Вообще,
каждое последовательное прохождение через вращающееся
кольцо приведет путешественника в очередную параллельную
вселенную — примерно как нажатие кнопки «вверх» в лифте.
В принципе может существовать бесконечное число вселенных , одна над другой. «Пройди сквозь это волшебное кольцо
и — опа! — ты уже совершенно в другой вселенной, где радиус
и масса отрицательны!» — писал Керр .
Но здесь есть очень важная ловушка. Черная дыра —
хороший образец «необратимой кротовой норы»; а значит, через горизонт событий можно пройти только в одном направлении. Стоит миновать горизонт событий и кольцо Керра — и вы
уже не сможете вернуться назад тем же путем.
Но в 1988 г. Кип Торн и его коллеги по Калифорнийскому
технологическому рассчитали обратимую кротовую нору, т. е.
такую, через которую можно свободно проходить в обоих направлениях, туда и обратно. Для одного из их решений путешествие через кротовую нору не опаснее полета на самолете !
В обычных условиях сила тяжести стремится раздавить
и раздавит «трубку» кротовой норы, погубив при этом астро-
290
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]